عدم تعادل جرمی ماشین آلات

با درود فراوان

هدف از این پست، ارائه مقدماتی در زمینه عدم تعادل جرمی ماشین آلات دوار در صنایع مختلف است. با تشکر از آقای مهندس صیدکرمی، از مخاطبین محترم این وبلاگ، بدلیل ارسال این مطلب.

به عدم توزیع یکنواخت جرم روتور حول محور گردش ان غالبا عدم تعادل یا Unbalance می گویند.

نابالانسی (عدم تعادل) جرمی

علیرغم هر تعریفی که شما برای عدم تعادل بکار ببرید،عدم تعادل بیش از حد باعث ارتعاشات روتور و برینگ های آن می شود. عدم تعادل میتواند نیرو هایی را بوجودآورد که برای طول عمر ماشین و قطعات مختلف ان، روتور و برینگ ها و سازه های مربوطه مضر است.

علل وجود عدم تعادل

1. اشکالات ریخته گری

روتور های ریخته شده، مانند پروانه های پمپ و پولی های بزرگ، بعضا دارای حفره ها یا Sand Trap های ناشی از پروسه ریخته گری هستند. این حفره ها درون توده فلزی بوده و قابل رویت نیستند. اما، می توانند نابالانسی زیادی ایجاد کنند.

نمایی از فرآیند ریخته گری

2. خارج از مرکز بودن(eccentricity)

خارج از مرکز بودن وقتی به وجود می آید که مرکز هندسی قطعه با مرکز دوران ان یکی نیست. روتور ممکن است خود کاملا round  باشد ولی مرکز دوران off-center باشد.

خروج از مرکز

3.  تغییر شکل (distortion )

ممکن است قطعه ای در زمان ساخت بخوبی بالانس باشد ولی در حین کار به دلایل مختلف شکل آن به هم بخورد. دلایل متداول چنین تغییر شکلهایی تنش زدایی  (stress relief) و تغییر شکل گرمایی Thermal distortion است.

تغییر شکل

4. تلرانس ها ( Clearance )

یکی از متداولترین عوامل ایجاد  نابالانسی جمع شدن تلرانس ها  در زمان مونتاژ  ماشین است.

در این مورد مثلا قطر پولی از قطر شفت بزرگتر است و وقتی جای خار با استفاده از  setscrew برای محکم کردن ان روی شافت استفاده می شود مرکز وزنی پولی به یک طرف مرکز شافت منتقل خواهد شد. طبیعتا این ایجاد عدم تعادل وزنی خواهد کرد.

تلرانس کلرانس

5.  خار و جای خار

متاسفانه استاندارد مشخص و یکنواختی مربوط به استفاده از کلید در زمان تست قطعات و بالانس وجود ندارد. سازنده ای ممکن است محصول خود را با کلید کامل، نیمه کلید و یا حتی شاید بدون کلید بالانس کند، بنابراین اگر یک سازنده پولی، پولی را بدون کلید بالانس کند، و یا سازنده موتور، موتور خود را بدون کلید بالانس کند، بعد از اتصال دو قسمت، عدم تعادل بوجود خواهد آمد.

خار و جای خار

6. خوردگی و سایش

بسیاری از روتورها در محیطهایی کار میکنند که باعث خوردگی یا سایش انها می شود. وقتی خوردگی یا سایش یکنواخت نباشد، عدم تعادل ایجاد می شود.

Erosional Corrosion

7. تشکیل رسوبات

تشکیل غیر یکنواخت رسوبات روی قسمتهای مختلف روتور ایجاد عدم تعادل میکند. اگر چه معمولا رسوب گذاری به مرور زمان انجام می شود ولی کنده شدن یک تکه رسوب میتواند ایجاد عدم تعادل ناگهانی کند.

تشکیل رسوبات

عیوب متداول ماشین آلات و شناسایی آنها از طریق منحنی های FFT:

یکی از متداولترین و شایع ترین علل ارتعاشات ماشین آلات ناشی از نابالانسی است که از انواع متداولی دارد و ذیلا به شرح آن پرداخته می شود:

1. نابالانسی جرمی

متداولترین نوع نابالانسی می باشد که معمولا به دلیل عدم توزیع یکنواخت جرم در اطراف محور دستگاه ها و ماشین آلات بوجود می آید و تفاوت آن با دیگر نابالانسی ها این است که با کم یا زیاد کردن جرم روی روتور قابل اصلاح است. این تیپ از نابالانسی خود به سه نوع زیر تقسیم بندی می شود:

الف)  نابالانسی استاتیکی  Static unbalance

اگر قسمت سنگین طوری قرار گرفته باشد که باعث جابجایی موازی محورهای مرکز جرم نسبت به مرکز دوران شود به آن نابالانسی استاتیکی گفته می شود. این نوع نابالانسی معمولا با اضافه نمودن جرم در یک صفحه قابل تصحیح است.  در این نوع نابالانسی زاویه فاز یاتاقان های دو طرف ، در یک جهت با هم یکی بوده و ارتعاشات هم فازند.

نابالانسی استاتیک

ب) نابالانسی کوپله coupled unbalance

در این نوع نابالانسی نقاط سنگین طوری که پراکنده شده اند که در دو صفحه کاملا مخالف اما در شعاعهای یکسان قرار دارند که در این حالت محور مرکز جرم روتور نسبت به محور دوران نا موازی بوده و ان را در مرکز روتور قطع می کند. این نوع نابالانسی با اضافه کردن جرم در دو صفحه جداگانه قابل تصحیح است.

در این نوع نا بالانسی زاویه فاز یاتاقان دو طرف، در یک جهت با هم  به اندازه 180 درجه اختلاف زاویه فاز دارند.

نابالانسی کوپله

ج) نابالانسی دینامیکی  dynamic unbalance

این نوع نابالانسی یک حالت عمومی است که به دلیل مشکلات ناشی از ساخت روی تمامی روتورها به صورت ترکیبی از دو نوع نابالانسی استاتیکی و کوپله وجود دارد که در این حالت هم مرکز جرم نسبت به محور دوران ناموازی است و هم این محور از مرکز جرم روتور عبور نمی کند.

زاویه فاز  دو طرف یاتاقانها  در این تیپ از نابالانسی با هم رابطه مستقیمی ندارند.

نابالانسی دینامیک

2. نابالانسی هیدرولیکی و ایرودینامیکی

3. نابالانسی الکتریکی

رفتار ارتعاشی یک دستگاه نابالانس :

1. فرکانس ارتعاشات ایجاد شده روی یک برابر دور ماشین اتفاق می افتد 

2. دامنه ارتعاشات متناسب با میزان نابالانسی است یعنی هرچه مقدار نابالانسی بیشتر باشد دامنه ارتعاشات نیز افزایش می یابد.

3. میزان ارتعاشات درجهت  شعاعی (به خصوص در جهت افقی) بیشتر از جهت محوری است.

4. زاویه فاز یک یاتاقان نسبت به زمان تغییر نمیکند.

5. با 90 درجه جابجا شدن پیک آپ، روی یک یاتاقان زاویه فاز هم 90 درجه در همان جهت تغییر می کند.

6. تغییر جرم روی روتور امکان کاهش لرزش وجود دارد.

نمونه ای از منحنی FFT

نابالانسی فازی

نابالانسی کوپله

نکته اینکه در روتورهای Over Hung ممکن است ارتعاشات در جهات محوری و شعاعی وجود داشته باشد که زاویه فاز ارتعاشات در جهت محوری ممکن است ثابت باشد ولی در جهت شعاعی تغییر می کند و نابالانسی آنها از نوع ترکیب استاتیکی و کوپله است که با تغییر جرم قابل اصلاح است.

البته به این نکته نیز باید توجه نمود که ارتعاشات در فرکانس یک برابر دور تنها به دلیل نابالانسی جرمی نیست و مسایلی از قبیل خرابی برینگهای ژورنال Misalignment ,Eccentricity ,Bend Shaft نیز ارتعاشاتی روی یک برابر دور ایجاد می کنند که برای تشخیص و تمییز دادن انها از یکدیگر باید از روشهای دیگر آنالیز ارتعاشات مثل آنالیز زاویه فاز بهره گرفت.

خرابی های متداول در برینگ ها و علل آنها

با درود و احترام

هدف از این پست که با تلاش جناب آقای مهندس صیدکرمی،  از مخاطبین محترم این وبلاگ،  تهیه و بدست بنده رسیده است،  معرفی اجمالی انواع مکانیزم های خرابی در برینگ ها و علل وقوع آنها می باشد.

خستگی سطحی یا Surface fatigue

خستگی سطحی ناشی از مسائل روغنکاری کم، ویسکوزیته کم و از بین رفتن و قطع فیلم روغن می باشد. در ابتدا سطح برینگ به نظر یخ زده  (frosted)می آید ولی بعد پوسته ها ور آمده و ترک خوردگی ایجاد می شود اگرچه پوسته کردن به شدت spalling نیست. با پیشرفت آرام خستگی سطحی،  برینگ حالت rough پیدا کرده، داغ شده و ایجاد سر وصدا می کند. از این مشکل با تمیز نگهداشتن و روغنکاری کافی برینگ می توان جلوگیری کرد یا حداقل آن را برای  مدت طولانی به تاخیر انداخت.

خستگی سطحی

خستگی سطحی

Spalling

اسپالینگ یا پوسته کردن عمیق و شدید  مشابه خستگی سطحی است؛ ولی بر خلاف خستگی،  spalling ممکن است رسیدن برینگ به پایان عمر خستگی (fatigue life) خود را بیان کند. مشخصه اسپالینگ ترکهای عمیق و پوسته کردن کنس برینگ است. این نشانه ها وقتی ظاهر می شوند که ترکها که از ترکیبات غیر فلزی فولاد برینگ شروع می شوند به طرف سطح پیش روی می کنند.

اسپالینگ زودرس غالبا از نصب شدن بد روی شافت، پیچیدگی و یا بطور کلی کج و کولگی(distortion) محفظه برینگ و یا نصب ناصحیح اصولا شرایطی که تنشهای سیکلی بالا را باعث میشود ناشی میگردد.

اسپالینگ

اسپالینگ

Abrasion

در این مکانیزم، ماده ساینده از سطح برینگ فلز برداری کرده و سطح ناصاف غلتک ها را از بین می برد. بسته به نوع ماده سایندهAbrasive ، سطوح یک ظاهر خاکستری مات پیدا کرده و یا به صورت ایینه پولیش میشوند. برینگ در نهایت بدلیل بهم خوردن ابعاد هندسی دچار یک خرابی کلی میشود. دلیل همیشگی Abrasion وجود مواد ساینده و  dirt  است که هنگام نصب یا از طریق نشت بندهای معیوب و یا روغن کثیف وارد برینگ میشود. بنابراین موقع نصب قبل از گریسکاری و یا روغنکاری باید قطعات مختلف را با پارچه تمییزی پاک کرد و محل کار و دستها را پاکیزه نگه داشت. نشت بندهای سالم و قابل شستشو و روغن تمیز باعث جلوگیری از آلودگی بعد از نصب می شود.

Abrasion

خوردگی اتمسفریکAtmospheric corrosion :

عامل خوردگی اتمسفریک در برینگها رطوبت است. هوا می تواند رطوبت وارد برینگ کرده و در نتیجه وقتی هوا سرد میشود رطوبت روی سطوح برینگ می نشیند و باعث خوردگی می شود. رطوبت معمولا در محل تماس غلطکها با برینگ،  جایی که غلتک روغن یا گریس را از محل تماس به بیرون می راند، به فلز حمله می کند.

از خوردگی اتمسفریک با بکار بردن نشت بندهای مناسب گریس و روغنکاری متناوب برینگها می توان جلوگیری کرد.

خوردگی اتمسفریک

Fretting

فرتینگ روی سطوحی که در تماس با یکدیگر هستند پیش می آید.فرتینگ بسیار شبیه زنگ زدگی بنظر می آید. علت فرتینگ حرکت دو سطح (حتی به میزان میکروسکوپی) تحت بار نسبت به یکدیگر است. ذرات سائیده شده اگر  هوا موجود نبوده باشد سیاه میشوند و اگر هوا در برینگ موجود بوده باشد قرمز خواهند شد. فرتینگ می تواند باعث لق شدن race داخلی برینگ روی shaft  شود،  از طرف دیگر ممکن است بگونه ای باعث سفت شدن ان روی shaft شود که دیگر نتوان انرا خارج کرد. فرتینگ می تواند باعث شکستن raceنیز بشود. از فرتینگ می توان با رعایت تلرانسهای سازنده هنگام نصب جلوگیری کرد.

فرتینگ

برینلینگ واقعی true brinelling :

باعث فرو رفتگی ها در race ها میشود. این فرورفتگیها تغییر شکل های پلاستیک فلز بوده و اثر این مارکها همچنان دندانه ها مشهود خواهد بود. این مسئله می تواند ناشی از بارهای استاتیکی زیاد و یا بارهای ضربه ای،  نصب نامناسب و شوک های مکانیکی نظیر حالتی که ماشین به زمین بیافتد می باشد.

جلوگیری از برینلینگ واقعی ناشی از نصب می تواند با اعمال فشار، در هنگام نصب،  تنها به قطعه ای که باید پرس شود صورت گیرد. اگر از بارهای ضربه ای نتوان پرهیز کرد،  در این صورت باید از برینگهایی استفاده کرد که تحمل بارهای استاتیکی بالاتری دارند.

برینلینگ واقعی

برینلینگ واقعی

برینلینگ واقعی

Electrical damage

صدمات الکتریکی غالبا در اشکال منظم روی race ها و سطوح غلطکها به علت عبور جریان الکتریکی از برینگ صورت میگیرد. جریان الکتریکی همچنین می تواند باعث Pitting نامنظم هم بشود. رایج ترین دلیل صدمات الکتریکی به برینگها عبارتند از الکتریسیته ساکنی که بوسیله تسمه نقاله (Conveyor belts) ایجاد می شود و جریانات الکتریکی ناشی از بی دقتی در ست آپ های جوشکاری.  بنابراین تسمه نقاله ها باید با سیستمهای اتصال به زمین Grounding تجهیز شوند و وسایل جوشکاری هم بین محل جوش و نزدیکترین برینگ اتصال به Ground شوند.

صدمات الکتریکی

Smearing

اسمیرینگ نتیجه برداشت فلز از یک سطح و نشست آن بر روی سطح دیگر است. Smearing نتیجه لیز خوردن هایی است که تحت بارهای شدید با روغنکاری ناکافی پیش می آید. در بعضی موارد انتهای غلطکهای استوانه ای حالت Smearing را نشان میدهد که این نشاندهنده ان است که به برینگ بارهای thrust از نوعی که برینگ برای تحمل ان طراحی نشده وارد می شود.

اسمیرینگ همچنین بدلیل روغنکاری ناکافی بوجود می آید.

اسمیرینگ

Scoring

اسکورینگ یک سایش abrasive است که فرم شیارهای عمیق را در raceها و غلطکها میگیرد. شیارها مراکز تنشی را هم ایجاد می کنند که در نهایت باعث خستگی سطحی میشود.

اسکورینگ به وسیله ذرات نسبتا بزرگی در برینگ جا گرفته و بوسیله غلطکها دور race ها گردانده میشود ایجاد میگردد. از اسکورینگ مثل سایر مسائل ناشی از آلودگی با رعایت پاکیزگی و استفاده از نشت بندهای مناسب جلوگیری میشود.

اسکورینگ

Retainer Failures

شکستگی Retainer  (یا cage نگهدارنده ساچمه ها) غالبا باعث خرابی کلی برینگ میشود به گونه ای که حقیقت امر که retainer عامل خرابی بوده سر پوشیده باقی می ماند. رایج ترین دلیل شکستگی retainer حرکت زیگزاگ ساچمه ها ناشی از Misalignment  است که باعث پیچ و تاب خوردن متناوب retainer  میشود.

به علاوه آلودگی و یا روانکاری نا کافی هم می تواند باعث این خرابی بشود.

شکستگی Retainer

انتخاب روغن هیدرولیک

با درود و احترام

هدف از این پست، پاسخ به سوال مطرح شده از طرف چند تن از مخاطبان محترم این وبلاگ، درباره انتخاب روغن هیدرولیک مناسب با شرایط کاری مدار هیدرولیک، است.

شرح سوال: معیار مناسب برای انتخاب ویسکوزیته مناسب برای یک روغن هیدرولیک چیست؟

پاسخ به این سوال از دو بخش تشکیل شده است: مقدمه ای بر روغن های هیدرولیک، و معیار های انتخاب روغن هیدرولیک

الف) مقدمه ای بر روغن های هیدرولیک

انتخاب روغن مناسب برای سیستم های عملکردی گوناگون، تابع شرایط عملکردی آنها، شرایط محیطی، پروتکل های تعمیر و نگهداری، و برخی عوامل دیگر، از جمله مشخصات عملکردی زیر مجموعه های درگیر با آن روغن (یا به بیان کلی تر: روانکار) است. در مورد روغن های هیدرولیک، علاوه بر مشخصات عمومی روغن (اعم از خواص مکانیکی، خوردگی، و...)، مشخصات دیگری مانند توانایی انتقال حرارت، توانایی انتقال نیرو، و در برخی کاربری ها، توانایی روغنکاری نیز در انتخاب دخیل می شود. تاثیر این عوامل آنچنان عمیق و گسترده است که عملا شاهد ساختار های شیمیایی بسیار متنوعی در انواع روغن های هیدرولیک (بسته به کاربرد، نوع سیستم، نوع مدار، حساسیت عملکردی، و...) هستیم: از روغن های کاملا سینتتیک (بمنظور مقابله با نوسانات شدید دمایی و فشاری) گرفته تا سیالات هیدرولیک آب پایه (که در بخش هایی که ریسک حریق بالایی داشته باشند، کاربرد دارد). در اینجا، روغن های هیدرولیک به سه دسته اصلی تقسیم بندی می شوند: روغن های هیدرولیک سینتتیک، روغن های هیدرولیک نفتی (مینرال)، و مایعات هیدرولیک غیر نفتی.

روغن های هیدرولیک سینتتیک یا مصنوعی حاصل به هم پیوستن دقیق و از پیش طراحی شده زنجیره های متفاوتی (بنا به نوع انتظاری از خواص محصول داریم) از ملکول های هیدروکربنیک، هیدروکسیلیک، و ادتیو های شیمیایی هستند که اصطلاحا طی فرآیندی بنام پلیمریزاسیون ملکولی در کنار یکدیگر قرار گرفته و تشکیل سیستمی نسبتا پیچیده و پایدار از پیوند های شیمیایی (کوالانسی، هیدروژنی، و واندروالسی) را می دهند. بدلیل همین پایداری ساختاری، روغن های سینتتیک برای کاربرد هایی که مستلزم تحمل نوسانات شدید در دمای عملکردی (بخوانید: شوک حرارتی)، و یا فشار های بالا (چه دیفرانسیل، و چه دینامیک) هستند، انتخاب مناسبی هستند. البته، باید توجه داشت که بسته به پیچیدگی فرآیند تلفیق زنجیره های ملکولی، قیمت این تیپ از روغن ها می تواند گرانتر از انواع مینرال، یا حتی بسیار گرانتر باشد! اما، قیمت بالاتر همه ماجرا نیست! چراکه روغن های سینتتیک اغلب سمی بوده و برای سلامت انسان مضر هستند (تا آنجا که در قرار گیری بیش از نیم ساعت در معرض بخارات برخی گرید های روغن هیدرولیک سینتتیک توصیه نمی شود) و از سوی دیگر، ساختار شیمیایی حاصل از فرآیند (های) پلیمریزاسیون می تواند منجر به خورنده شدن یا ناسازگاری شیمیایی این روغن ها با برخی درزگیر ها و پکینگ ها شود. بعنوان مثال، بیشتر روغن های هیدرولیک سینتتیک با پلی وینیل کلراید سازگاری نداشته و منجر به تردی و  شکنندگی (اثری بنام کهنه شدگی یا Ageing) در آن می شوند.

روغن های هیدرولیک پایه نفتی یا مینرال حاصل فرآیند پالایش نفت خام و سپس افزودن برخی ادتیو های شیمیایی بهبود دهنده خواصی مانند ضد سایش (Anti-Wear)، مقاومت در برابر اکسیداسیون، واکنش دهی شیمیایی با قطعات فلزی و پلیمری، و بهبود یا پایداری شاخص ویسکوزیته (Viscosity Index) است. روغن های هیدرولیک پایه نفتی انتخاب خوب و قابل مقایسه ای در برابر انواع سینتتیک، به شرط استفاده از ادتیو های درست و کافی در ساختار شیمیایی آنها، هستند. بویژه اینکه، قیمت پایینتری نیز دارند.

مایعات هیدرولیک غیرنفتی، از جمله سیالات تراکم ناپذیری هستند که در مدارات هیدرولیک، بویژه با الزام مقاومت در برابر آتش سوزی، کاربرد دارند. از دیدگاه هزینه ای، مایعات هیدرولیک غیرنفتی در جایگاهی مابین انواع نفتی و سینتتیک قرار می گیرند. ساختار شیمیایی این دسته از مایعات هیدرولیک می تواند از محلول های گلیکول یا حتی آب تشکیل شده باشد. یکی از نقاط ضعف عمده این دسته از مایعات، عدم محافظت لازم در برابر خوردگی و در عین حال، تمایل به سایش است.

ب) معیار های انتخاب روغن هیدرولیک

شکل 1، نمایی شماتیک و رنگی را از یک مدار هیدرولیک نشان می دهد. در این شکل، بیشترین لاین فشار با رنگ قرمز، فشار متوسط با رنگ آبی، و کمترین فشار با رنگ سبز نشان داده شده اند.

همانطور که در شکل 1 مشهود است، بیشترین فشاری که روغن هیدرولیک باید تحمل کند، در لاین قبل از پمپ اصلی مدار (موسوم به لاین مکش) است. البته، وجود فیلتر در بسیاری از مدارات هیدرولیک در لاین مکش، مزید علت نیز هست. بدین ترتیب، نوع و مکانیزم پمپ (های) مکش تاثیر بسزایی در انتخاب نوع و گرید روغن هیدرولیک دارد. بطور کلی، سه مکانیزم در پمپ های هیدرولیک رایج است: مکانیزم تیغه ای (Vane Pumps)، پیستونی (Piston Pump)، و چرخدنده ای (Gear Pump).

در این میان، پمپ هایی که از چرخنده در ساختار خود استفاده می کنند، می توانند چرخدنده را در داخل یک پوسته یا خارج آن بکار گیرند که البته این موضوع کاملا بستگی به نظر طراح و قابلیت های عملکردی مورد انتظار از آن پمپ دارد.

در ساختار پمپ های تیغه ای، همانطور که از نام آنها پیداست، یک روتور قرار دارد که وظیفه چرخاندن تیغه های نصب شده روی یک شفت را بصورت غیرهم مرکز بعهده دارد. القای فشار به روغن در محفظه بسته ای (بعنوان حجم کنترل) صورت می گیرد که تیغه های روتور در آن با سرعت نسبتا بالایی در حال چرخیدن هستند. این دسته از پمپ های هیدرولیک از قیمت بالاتر و حساسیت عملکردی بیشتری نسبت به انواع دیگر برخوردار هستند. اما، از سوی دیگر، جریان بسیار یکنواخت و قابل کنترلی را در مقایسه با انواع دیگر فراهم می آورند. پمپ های تیغه ای معمولا به ویسکوزیته ای بین 14~160 cSt در بازه دمایی عملکردی معمول روغن نیاز دارند. شکل 2 شماتیکی از ساختار این دسته از پمپ های هیدرولیک را نشان داده است.

شکل 1: نمای شماتیکی از یک مدار هیدرولیک

شکل 2: شماتیکی از ساختار یک پمپ تیغه ای هیدرولیک

پمپ های هیدرولیک پیستونی یکی از رایجترین مکانیزم های انتخابی در بین طراحان مدارات هیدرولیک بوده و از قیمت پایینتر و دوام بیشتری نسبت به انواع تیغه ای برخوردارند. یکی از مزایای این دسته از پمپ ها، دستیابی به فشار های تامین هیدرولیک بالا تا 6000 psi است. بازه ویسکوزیته معمول برای روغن ورودی به این پمپ ها 15~160 cSt در بازه دمایی متعارف است. شکل 3 شماتیکی از ساختار معمول در این پمپ ها را نشان می دهد.

شکل 3: شماتیکی از ساختار یک پمپ پیستونی

پمپ های هیدرولیک چرخدنده ای کمترین بازدهی تولید فشار هیدرولیک را نسبت به دو نوع قبلی دارند. اما، عدم حساسیت به ذرات معلق و نوع روغن هیدرولیک آنها را به گزینه قابل قبولی در میان طراحان مدارات هیدرولیک بدل ساخته است. پمپ های چرخدنده ای روغن را با گیر انداختن در فضای بین دو دندانه چرخدنده تحت فشار گذاشته و سپس رها سازی آن در مدار تامین می کنند. چنین مکانیزمی در دو حالت چرخدنده داخلی (شکل 4) و خارجی (شکل 5) وجود دارد.

شکل 4: شماتیکی از ساختار یک پمپ چرخدنده داخلی

شکل 5: شماتیکی از ساختار یک پمپ چرخدنده خارجی

پمپ های هیدرولیکی که از مکانیزم چرخدنده داخلی بهره می برند، بازه وسیعی از ویسکوزیته (تا 2200 cSt) را پذیرا بوده و فشار های بالایی از 3000 تا 3500 psi را تامین می کنند.

پمپ های چرخدنده خارجی، اما، بازدهی کمتری داشته، ولی در عوض قیمت پایینتر، هزینه نگهداری و تعمیرات کمتر داشته و جریان یکنواخت تری را تامین می کنند. از نظر فشار تامین، بازه فشار این نوع از پمپ ها کاملا با نوع چرخدنده داخلی یکسان است. اما، ویسکوزیته روغن ورودی به آنها به 300 cSt محدود می شود.

با توجه به مواردی که گفته شد، جدول 1 می تواند بعنوان معیاری برای انتخاب گرید ویسکوزیته سینماتیک روغن هیدرولیک، با توجه به سه عامل مکانیزم پمپ، دما، و فشار، مورد استفاده قرار گیرد.

جدول 1: راهنمای انتخاب روغن هیدرولیک براساس نوع پمپ، حداکثر فشار، و دما

برگزاری دوره آنالیز روغن ماشین آلات صنعتی در اراک

برگزاری دوره آنالیز روغن ماشین آلات صنعتی در سه سطح مقدماتی، متوسط، و پیشرفته در اراک

تشخیص آلودگی روغن با هوا و آب

هدف از این پست، تشخیص روند آلودگی روغن روانکار طی فرآیند آنالیز روغن است. در طی فرآیند آنالیز روغن های روانکار، اعم از موتور، هیدرولیک، توربینی، کمپرسور، و... آلودگی های متنوع و گوناگونی در جریان عملکرد روغن در مدار وارد شده و گاه قادر به تغییر مشخصات سینماتیک و دینامیک روغن خواهند بود. برخی از این آلودگی ها، با توسل به روش های معمول آنالیز روغن قابل تشخیص هستند. اما، برخی از آنها که در این پست بدانها پرداخته می شود (و شامل دو مورد آلودگی جریان روغن به هوا و آب می شود)، با روش های معمول و رایج آنالیز روغن قابل تشخیص نبوده و گاه از چشمان تکنسین های آزمایشگاه یا مفسر گزارش آنالیز پنهان می مانند.

الف) آلودگی جریان روغن با هوا

یکی از آلودگی های رایج در جریان انواع روغن های روانکار، آلودگی ناشی از ترکیب با هوا می باشد. بسیاری از کارشناسان و مفسرین گزارش های آنالیز روغن بیشتر توجه خود را معطوف آزمون های شمارش ذرات ناشی از فرسایش (سوده شماری) و اندازه گیری رطوبت حاضر در نمونه روغن می کنند. حال آنکه آلودگی های ناشی از تشکیل محصولات حاصل از ورود هوا به جریان روغن می تواند اهمیتی بیش از این موارد در تخریب ساختار شیمیایی روغن داشته باشد. آلودگی ناشی از ورود هوا به جریان روغن بیش از آنکه مشخصه ای کمّی باشد، مشخصه ای کیفی بوده و به چهار حالت ممکن در جریان روغن بروز می کند: محلول، شناور، آزاد، و فوم که در ذیل به هر یک پرداخته می شود:

• هوای محلول: در مورد روغن های مینرال یا معدنی، انحلال هوا باندازه 10 درصد وزنی روغن قابل تحمل و معمول در نظر گرفته می شود. انحلال هوا بیش از این مقدار، بویژه در مدار های تحت فشار روغن، می تواند منجر به اکسیداسیون زودهنگام و تقلیل اثر ادتیو های حاضر در ترکیب شیمیایی روغن خواهد شد.

• هوای شناور: این حالت از آلودگی با ورود حباب های میکروسکوپیک و ناپایداری از هوا به جریان روغن شناخته می شود که در نهایت منجر به حالتی با عنوان «ابری شدن» یا Clouding در جریان روغن خواهد شد. شناوری هوا در جریان روغن می تواند تاثیر مستقیمی بر خواص مکانیکی آن، اعم از تراکم پذیری، انتقال حرارت، استحکام فیلم، مقاومت به اکسیداسیون، کاویتاسیون، و تشکیل وارنیش (میکرودیزلینگ) داشته باشد. وقتی نمونه روغنی با این مشخصات روی دستگاه کانتر قرار داده می شود، حباب های شناور هوا به سطح آن می آیند. همین حالت نیز برای روغنی که در مخزن جمع شده است نیز اتفاق می افتد. در واقع، با سکون روغن در هر بخش از مدار، بخشی از حباب های ناپایدار هوا روی سطح آن قرار خواهند گرفت.

• هوای آزاد: این مرحله پس از شناوری هوا محسوب می شود که ناشی از تجمع هوا در اثر بالا آمدن حباب های کوچک و ناپایدار هوا در یک گوشه ساکن از مدار و به هم پیوستن آنها می باشد. هوای آزاد می تواند منجر به عیوبی چون خوردگی، کاهش تراکم پذیری هیدرولیک، قفل بخار (تاخیر در تامین فشار روغن)، و از دست رفتن مقطعی کنترل فشار هیدرولیک شود.

• فوم (کف): این حالت از آلودگی جریان روغن به هوا زمانی رخ می دهد که حداقل 30 درصد حجم موثر روغن در مدار با هوا پر شده باشد. تشکیل فوم بیشتر در مناطقی مانند سطح جریان آزاد در مخزن روغن رخ می دهد. اولین و مهمترین اثر فوم یا کف کردن روغن را می توان در تخریب تراکم پذیری آن دانست. البته، بنا به نوع روغن و طراحی مدار، عیوبی چون خوردگی، قفل بخار (تاخیر در تامین فشار روغن)، و از دست رفتن مقطعی کنترل فشار هیدرولیک را نیز می توان به مورد فوق اضافه کرد.

هرچند تمامی حالات چهارگانه ورود هوا به جریان روغن خطرناک و مضر محسوب می شود، اما، در این میان، به عقیده قاطبه کارشناسان، شناوری هوا خطرناک ترین پتانسیل خرابی ناشی از ورود هوا به جریان روغن قلمداد می شود. چراکه تشکیل میکرو حباب های هوا و شناور شدن آن در جریان روغن می تواند نقطه شروعی برای عیوبی چون تشکیل فوم، اکسیداسیون، کاویتاسیون پمپ روغن، تشکیل وارنیش، رفتار های غیرقابل پیش بینی و نامنظم هیدرولیک، و حتی اوورهیتینگ (فرا گرمایش) باشد. اما، برای اندازه گیری میزان ورود هوا و آلوده شدن جریان روغن به هوا چه ابزار/ابزار هایی موجود است؟ بمنظور اندازه گیری میزان ورود هوا و آلاینده های همراه آن به جریان روغن، روش های متعدد و متنوعی موجود است. یکی از این روش های مرسوم، استفاده از ادوات آزمایشگاهی بمنظور پی بردن به وجود توده ای از هوا در خطوط هیدرولیک است. در این روش، در حجم مشخص و تحت کنترلی از روغن، خلا وارد می شود تا حباب های ریز هوای شناور در روغن و آن میزان از هوای محلول به تدریج از روغن جدا شود. سپس، حجم روغن باقی مانده پس از جداسازی هوا با میزان حجم اولیه مقایسه می گردد. از جمله سایر روش های مرسوم در این زمینه، اندازه گیری آنلاین ورود هوا به مجاری و خطوط هیدرولیک (یا بطور کلی: عبور روغن) بوده و به Online Monitoring معروف است. اساس این روش بر بکارگیری اشعه X استوار است. بدین ترتیب که جریان روغن عبوری از خطوط هیدرولیک در ایستگاه هایی وارد یک محفظه یا دهلیز شده و با توجه به شکل هندسی دهلیز و ورودی و خروجی آن، جریان سیرکوله ای از روغن (معمولا با فشار یک بار و دمای 20°C) تشکیل می شود. همزمان، این دهلیز تحت تابش اشعه X است و اندازه گیری های لازم با توسل به نرم افزار های آنالیز و تفسیر عددی انجام پذیرفته و بصورت آنلاین گزارش می شود. سومین روش مرسوم که بیشتر در محیط های صنعتی و کارگاهی کاربرد دارد. استفاده از پیستون بمنظور سنجش میزان هوا گیری روغن تحت فشار است. اساس این روش که شماتیکی از آن در شکل 1 نشان داده شده است، بر تغییرات فشار پاسخ دریافتی از سوی جریان تراکم ناپذیر روغن استوار است.

شکل 1: نمایی شماتیک از نحوه عملکرد پیستون تراکم سنجی روغن

علاوه بر روش های مبتنی بر ابزار های اندازه گیری، روش های استانداردی نیز بمنظور اطمینان از صحت و سلامت نمونه روغن از دیدگاه آلودگی به هوا تدوین شده است که جزییات هر یک در جدول 1 نشان داده شده است.

جدول 1: روش های آزمون استاندارد برای اطمینان از عدم آلودگی روغن به هوا

همانطور که در جدول 1 نیز مشاهده می شود، راهکار های تشخیص نفوذ هوا به جریان روغن اغلب مستلزم تست های پیچیده و زمانبر است. سوالی که اکنون ممکن است ذهن خواننده را به خود مشغول کند آن است که چطور می توان از طریق آنالیز روغن، به نفوذ هوا در مدار روغن و آلودگی ناشی از آن پی برد ؟

پاسخ در جدول 2 خلاصه شده است. بدین ترتیب که با توسل به دو تست زمان آزاد سازی حباب های هوا و تمایل به تشکیل یا پایداری فوم براساس استاندارد های نشان داده شده در جدول 2 می توان به نتایج ملموسی رسید.

جدول 2: نحوه تشخیص نفوذ هوا و مخلوط شدن آن با روغن از طریق آنالیز روغن

بر این اساس، کارشناس آنالیز می تواند با ارسال نمونه روغن مشکوک (با توجه به نوع مشکل در جدول 2) به آزمایشگاه ذیصلاح، تست های مندرج در جدول 2 را درخواست نموده و نتایج واصله را با نتایج حاصل از همین تست ها روی روغن نو مقایسه نماید. از دیگر راه های تشخیص مشکل نفوذ و اختلاط هوا با جریان روغن می توان به افزایش سطح نیتروژن (ازت) به تنهایی در نتایج آنالیز اشاره کرد. بطور کلی، در آنالیز عناصر شیمیایی که به Elemental Analysis معروف بوده و سطوح متفاوتی دارد، گاهی اوقات، افزایش ناگهانی یک عنصر خاص که در برخی از متون مرجع مهندسی از آن با عنوان تخصصی Single Rise یاد می شود، می تواند معانی زیادی برای مفسر گزارش آنالیز داشته باشد. گفتیم که یکی از اثرات ورود هوا به جریان روغن و انحلال هوا در روغن، تشکیل وارنیش یا میکرودیزلینگ است. شماتیکی از میکرودیزلینگ در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2: شماتیکی از فرآیند تشکیل وارنیش (میکرودیزلینگ)

عبارت میکرودیزلینگ از آنجا ناشی می شود که حباب های تحت فشار و داغ هوا در جریان روغن وارد شده و سطح داغ آنها با محیط روغن اطراف واکنش شیمیایی می دهد که در نهایت منجر به تشکیل لایه های نازکی (فیلم) غنی از کربن خواهد شد که با تجمع روی هم به تدریج تشکیل وارنیش سیاه رنگ (بسته به ترکیب شیمیایی روغن و نوع آن، گاه به رنگ زیتونی و گاه به رنگ بنفش انگوری نیز ممکن است ظاهر گردد) می دهد.

راه تشخیصی که در آنالیز عناصر روغن خود را بصورت Single Rise نشان می دهد، افزایش ناگهانی عنصر نیتروژن است. علت این Single Rise شدن عنصر نیتروژن نیز آن است که حدود 80 درصد هوا از این گاز تشکیل شده است.

از سوی دیگر، عمر عملکرد بدون نقص روغن (برحسب ساعت) تحت اثر گرما نیز با ورود هوا و انحلال آن در جریان روغن کاهش می یابد. به نمودار نوعی شکل 3 توجه کنید.

شکل 3: نمودار نوعی کاهش عمر عملکرد روغن تحت اثر حرارت بدلیل میکرودیزلینگ

البته، برخی منابع افزایش عدد اسیدیته کل یا TAN نمونه روغن را نیز دلیلی بر ورود هوا به جریان روغن تعبیر می کنند. اما، به عقیده نویسنده و با تکیه بر تجربه شخصی، افزایش سطح TAN، به تنهایی دلیل محکمی برای این نتیجه گیری نیست! چراکه کاهش یا افزایش سطح TAN (بویژه در مورد روغن های توربینی، Gear Oil ها، و روغن های هیدرولیک) تابع عوامل متعددی است و تنها نمی توان افزایش یا کاهش TAN را نشانه ای از انحلال هوا در جریان روغن دانست.

ب) آلودگی جریان روغن به آب

یکی از رایجترین راه های آلوده شدن جریان روغن و تغییر خواص آن (اعم از شیمیایی و فیزیکی)، ورود آب به جریان روغن است. اختلاط آب با جریان روغن شامل سه حالت است که جزییات آن در پستی با عنوان «خورندگی بخار روغن» شرح داده شده است. لذا، به جهت اجتناب از اطاله کلام، مراجعه به پست فوق توصیه می شود.

اما بعد، در سازه ها و سیستم های مهندسی آب با انواع متفاوت و اهداف متنوعی مورد استفاده قرار می گیرد که از آن جمله می توان به آب کولینگ، آب مقطر، آب دیونیزه، آب شهری، آب چاه، و... اشاره کرد که هریک از دیدگاه آنالیز عناصر شیمیایی اثرات خود را روی برنامه آنالیز روغن یا بطور عمومی تر: برنامه پایش وضعیت (CM) می گذارند. بعنوان مثال، استفاده از آب چاه بمنظور خنک کاری یک دیزل ژنراتور یا لکوموتیو (در صورت ورود آن به مدار روغن) موجب Single Rise شدن عناصری چون منیزیم یا کلسیم در نتایج آنالیز روغن خواهد شد. همین مثال را می توان در مورد عناصر سدیم و بور، درصورت ورود جریان آب کولینگ به مدار روغن، ارائه کرد.

ولی، بصورت عمومی و در حالت عادی، اختلاط دو فازی (از دیدگاه دانسیته) ناشی از ورود آب به روغن را براحتی می توان با تست های روتینی مانند Crackle Test، تیتراسیون کلسیم-هیبرید یا Karl-Fischer تشخیص داد. از دیدگاه مکانیک سیالات، ورود آب به روغن با افزایش فشار خروج روغن از فیلتر ارتباط مستقیم داشته و گاه می توان با مشاهده افزایش یا کاهش ناگهانی ویسکوزیته دینامیک به وجود آب (حتی در مقادیر اندک) در روغن پی برد.

اما، آنچه که گاه از دید مفسر گزارش آنالیز روغن دور می ماند، حالتی است که با عنوان «پریدن آب» از آن یاد می شود. این حالت زمانی رخ می دهد که دمای عملکردی روغن بیش از 60°C بوده و در سیستمی بسته و تحت فشار کار کند. مثالی که در مدار روغن موتور های درونسوز و مدار روانکاری توربین ها بسیار رایج است. روند کار نیز بدین ترتیب است که آب (یا حتی بخار آن) به میزانی کمتر از 10 درصد حجمی وارد جریان روغن شده و در اثر اعمال فشار درون سیستم و حرارت آن، به تدریج صورت فیزیکی خود را از دست می دهد. اما، مشکل از جایی شروع می شود که این حجم از آب (یا رطوبت) قبل از ترک سیستم روغنرسانی اثرات مخرب خود را برجای می گذارد که در تست های معمول آنالیز روغن قابل مشاهده نبوده و گاه تا چندین ماه در سیستم باقی می مانند.

روش های تشخیص ورود و سپس پریدن آب از سیستم روغنرسانی، آنالیز عناصر شیمیایی است که بسته به نوع آب بکار رفته بمنظور خنک سازی ماشین حرارتی، می تواند بشدت متنوع باشد. اما، بعنوان یک قانون کلی، رفتار هارمونیک چهار عنصر کلسیم، منیزیم، بور، و سدیم به معنای مستقیم ورود آب کولینگ یا آب چاه به جریان روغن است.

#روغن #آنالیز #آلودگی #هوا #آب #احمدرضا_امینیان